（机械电子工程专业论文）电液动力喷印技术的实验研究.pdf

摘要 摘要 在微电子、微机电系统( m e m s ) 的制作领域，微米结构或图案的产生是一 项极为关键的技术。高精度微米结构的喷印技术可实现功能材料、高分子、生物 样品等精细图形喷印，具有广阔的市场前景。虽然改装市场主流的打印机在喷印 功能陶瓷、电子元器件、生物组织工程等特殊领域的应用取得了很好的结果，但 是，传统的喷墨打印机自身的缺陷和对墨水的严格要求限制了它们在特殊领域的 发展空间。为克服现有打印方式存在的缺陷，本文研究并搭建了基于电液动力学 原理的喷墨打印系统，考察了喷印参数的变化对喷印液滴的影响，具体工作包括 以下几部分： ( 1 ) 在查阅和分析大量相关文献资料的基础上，研究了一种基于电液动力学原 理的按需喷墨打印技术，自主设计搭建了电液动力耦合喷印实验系统。 ( 2 ) 利用光学显微装置观察电液动力耦合下喷嘴悬滴的状态变化及在高压电 场作用下液滴喷印的过程。通过改变喷印距离时，观察到两种喷印模式，即滴落 模式、锥一射流模式；同时，根据实验过程及结果分析了两种喷印方式产生的原因。 ( 3 ) 实验考察了喷印参数的变化对喷印液滴的影响，结果表明滴落模式中喷印 液滴的直径随着脉冲电压幅值的增大而减小，同时，喷印液滴的直径随着脉冲频 率的增大而减小。液滴的均匀性随着平均直径的减小而变差。在相同的实验条件 下，硅、铝、铜及纸四种材质上的喷印效果不同，在硅片上液滴均匀但直径较大， 在纸张上液滴散乱。 ( 4 ) 锥射流模式中喷印液滴的直径随着脉冲电压幅值、喷印溶液浓度及脉冲频 率占空比的增大而增大，液滴的直径随着脉冲频率的增大而减小。同时，采用c f d f l u e n t 仿真不同接触角时液滴在收集板上的沉积过程，并考察了不同接触角的收集 板上液滴直径的变化规律。 ( 5 ) 运用a n s y s 分析软件对不同参数下的实验装置进行电场分析，采用数值 计算的方法进行针状平板电极电场计算。 关键词：按需打印；电液动力；喷印参数 a b s t r a c t a b s t r a c t n em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo fm i c r os t r u c t u r eo rp a t t e mi se x t r e m e l yi m p o r t a n t i nt h em i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e t h e1 1 i 曲 p r e c i s i o ni nt h em e m sf a b r i c a t i o n , t h ep r i n t i n gt e c h n i q u ec a nb eu s e di nt h ef u n c t i o n a l m a t e r i a lp r i n t i n g ，m a c r o m o l e c u l ep r i n t i n g ，b i o s a m p l ep r i n t i n g ，p a c k a g eg l u ep r i n t i n g e s p e c i a l l y , t h ep r i n t i n gt e c h n i q u ew i l lh a v eab i gr e q u i r e m e mi nt h ef a b r i c a t i o no f m i c r op o l y m e rb i o - a p p a r a t u s t h eb a s i cp r i m e r sh a v e b e e nu s e db r o a d l yi nt h ep r i n t i n g o ff u n c t i o n a lm a t e r i a lp r i n t i n g ，m a c r o m o l e c u l ep r i n t i n g ，b i o s a m p l ep r i n t i n g ，e ta 1 h o w e v e r t h e ya r el i m i t e d i nt h ef u t u r ea p p l i c a t i o n sb e c a u s eo fs e l f - d e f e c t s i nt h e d i s s e r t a t i o n , an o v e ld r o p o n - d e m a n d ( d o d ) p r i n t i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h e e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ( e h d ) i n s t a b i l i t y i s p r e s e n t e d n o to n l yd e s i g n i n ga n d e s t a b l i s h i n gt h ee h dp r i m i n gs y s t e m ，b u tt h ew o r k sf o c u so nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h e f o r m a t i o no fj e t sa n dt h ei n f l u e n c e so ft h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so nt h ed r o p l e t s ， s u c ha st h es o l u t i o n , t h ev o l t a g ea m p l i t u d e ，t h ep r i n t i n gd i s t a n c e ，t h ec o l l e c t o rs u r f a c e c h a r a c t e r , a n ds e e kt h eo p t i m u mp a r a m e t e r s t h i sp a p e ri n c l u d e sf i v ea s p e c t sl i s t e da s f o l l o w s ： ( 1 ) b r i n gf o r w a r dan o v e lm e t h o df o rt h eh i g hp r e c i s i o nd o dp r i n t i n gt e c h n i q u e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe h d d e s i g na n de s t a b l i s ht h ee h dd o d p r i n t i n gs y s t e m ( 2 ) o b s e r v et h ef o r m a t i o no f j e t so nt h es u r f a c eo f p e n d e n td r o pa tt h eo u t l e to f t h e p r i m e rn o z z l eb yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，i n c l u d i n gt h et a y l o rc o n e ，t h ed i f f e r e n tp r i n t i n g m o d e sa td i f f e r e n tp r i n t i n gd i s t a n c e ，s u c ha sd r i p p i n gm o d e ，c o n e - j e t t i n gm o d e a n d b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n a l y z et h er e a s o n sf o rt h ep r i n t i n gm o d e ( 3 ) i nt h ed r i p p i n gm o d e ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed r o p l e td i a m e t e r s g e ts m a l l e r 、析t ht h ev o l t a g ei n c r e a s i n g a n dw h e nt h e 行e q u e n c yi n c r e a s e s t h ed r o p l e t d i a m e t e r sg e ts m a l l e r a l s ot h eu n i f o r m i t yo ft h ed r o p l e t st u r n sw o r s ea st h ea v e r a g e d i a m e t e r sc h a n g i n gs m a l l e r 1 1 1 ed r o p l e t sb e h a v ed i f f e r e n to nf o u rk i n d so fc o l l e c t o r s ， s u c ha ss i l i c o n , a l u m i n u m ，c o p p e r , p a p e r o nt h es i l i c o n ，t h ed r o p l e t sa r et h el a r g e s ta n d m o s tu n i f o r m o nt h ep a p e r , t h ed r o p l e t sa r et h es m a l l e s ta n dt h em o s tu n o r d e r l y t t a b s t r a c t ( 4 ) i nt h ec o n ej e t t i n gm o d e ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed r o p l e td i a m e t e r s g e tl a r g e rw i t ht h ev o l t a g e ，t h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dt h ev o l t a g ed u t yc y c l e i n c r e a s i n gr e s p e c t i v e l y w h e nt h ef r e q u e n c ya n dt h ec o n t a c ta n g l ei n c r e a s er e s p e c t i v e l y , t h ed r o p l e td i a m e t e r sg e ts m a l l e r a l s o ，s i m u l a t et h ea g g r a d a t i o n so ft h ed r o p l e t ，a n d i n v e s t i g a t et h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r so ft h ec o l l e c t o rs u r f a c et h a ti n f l u e n tt h ed r o p l e t sb y t h ec f df l u e n ts o f t w a r e ( 5 ) a n a l y z et h ei n t e n s i t yo fe l e c t r i cf i e l di ne h dp r i n t i n gp r o c e s sb yt h ea n s y s s o f t w a r et os t u d yt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n dc a l c u l a t et h ee l e c t r i cf i e l db y n u m e r i c a lm o d e l k e y w o r d s ：d r o p o n - d e m a n dp r i n t i n g ；e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ；e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题 ( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实 验室的资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内 填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以 不作特别声明。) ，莓 象日 氤r 、， 名6 从产 卧矽 触苏 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 、苏 船日 钡吖 名6 签，k ： 年声舢 第一章前言 1 1 喷墨打印技术的需求 第一章前言 据i d c 亚太区外设市场追踪报告的中国部分数据显示，2 0 0 7 年上半年中国整 体的喷墨打印机市场出货量为2 1 2 万台，相对于2 0 0 6 年上半年增长9 4 。i d c 预 计未来5 年中国整体喷墨打印机的复合增长率仍将达4 1 ，到2 0 1 1 年总出货量达 4 9 4 万台【1 1 。 同时，随着喷印技术研究的不断进步，喷印技术不仅广泛应用于传统的印刷 领域，而且还不断地被尝试应用于许多潜在的特殊领域，如液晶显示面板制造【2 】、 有机电子元件打印【3 】、生物工程【4 】等，而且这种应用趋势越来越受到关注。而在这 些非工业印刷应用中，急需一种可靠的、低成本的喷印技术，同时，还得满足更 高的要求，如可喷印多种不同粘度特性的液体、具有喷印头分辨率高、高频响应 快、液滴均匀性好、液滴喷印无伴随小“卫星 产生等【5 1 。而对于现今两大成熟的 喷墨打印技术，即压电方式和热气泡方式，很难满足以上的各种要求。因此，本 文旨在针对一种新型的、基于电液动力耦合原理的喷印技术进行一系列的实验研 究，为以后该喷印技术的应用做准备。 1 2 喷墨打印技术的应用 传统的加工方法主要有两种：切削和模具成型，前者从大块材料上除去不需 要的部分，而后者是将成型原材料粉末或者塑料压制成坯后烧结。传统途径在加 工微小部件时遇到了极大的挑战。此时，液滴喷射技术将有望在微加工制造领域 发挥重要的作用。液滴喷射是在计算机的控制下，将悬浊液、乳浊液、溶胶一凝胶 等以液滴的形式喷出，并结合实时处理工艺，将溶剂瞬时挥发或使高分子单体即 时聚合，可以逐层“立体印刷 t 6 1 n 造任意形状的微小部件。液滴喷射技术应用于 制造领域是完全可行的也是具有竞争力的，它的优点明显：依托于成熟的i t 软硬 件技术，商品化的喷墨打印机使用和改装非常便利；喷射液滴的体积极小，目前 市售的喷墨打印机的最小液滴已达到1 5 p l 7 】；液滴喷射技术具有结构简单、成本 电渍动力喷印技术的实验研究 低、定位精度高、原料节省等优势；另一方面，随着溶胶一凝胶和纳米分散技术的 发展，喷射技术逐渐在无模具成型、微机械和微器件制造、生物芯片、材料合成 等领域获得更广泛的应用。因此，针对液滴喷印技术的研究是具有广阔前景的， 许多研究人员0 1 已经致力于在非工业印刷应用液滴喷印技术的研究工作。 1 2 1 喷墨打印在显示技术上的应用 彩色滤光片是液晶显示器的重要组成部件。喷墨打印技术在彩色滤光片制作 方面具有明显的技术优势，很多厂商都在致力于其关键技术的开发”i ，推动了 该项技术的发展。hsk o o ”瞎人对t f t - l c d 的绿色滤光片进行了研究开发。他 们把商用压电喷墨打印机( 可喷印3 0 p l 的液滴) 改装成了有玻璃基板传送台、监 视器、驱动面板、喷墨打印头、溶液槽、供液系统等具有特殊功能的打e 机。彩 色滤光片由非碱玻璃基板、黑色矩阵、彩色层、保护层及i t o 导电膜等部分组成。 “绿色墨水”是由绿色素r 颗粒大小为6 0 9 0 r i m ) 、着色剂、聚合物分散剂、苯乙烯、 丙烯酸、表面活性剂等在惰性气体环境下聚台得到的，粘度约为8 0 1 20 c p s 。“绿 色墨水”通过按需喷射到各个独立的、容积约为1 4 0 0 2 6 p m 3 、壁高约为30 - 50 啪、 可容f5 0 一6 0 滴墨水的像素单元里，经紫外线照射同化，再涂布一层树脂，经紫外 线再次固化即可完成制造绿色滤光片的工艺过程如图1 1 所示。最后，采用 c i e l 9 3 l 国际色度标准衡量得到，像素单兀喷印有5 0 滴时，在x = o3 0 9 5 00 4 ， y = 05 9 1 2 o0 0 4 区域内，明亮度y = 5 88 8 7 ；像素单元喷印有4 1 滴时，在x = 03 1 0 3 00 4 ，y = 05 7 8 4 00 0 4 区域内，明亮度y - 6 03 2 8 。 图1 - 1 喷墨打印制造滤光片示意图 第章前自 1 2 2 喷墨打印在电子元件及电路上的应用 随着电子元件及其电路集成度越来越高、体积越来越小，微加工技术制造集 成电路的成本也越高、工艺越复杂，不利于集成电路的发展。利用喷墨打印的方 法制造集成电子元件和电路将成为了一种创新的工艺，将为集成电子制造带来更 广阔的前景。目前，传统的喷墨打印技术直接应用于电子元件的制造还存在问题， 比如，传统的喷墨打印机分辨率大概在2 0 5 0 l x m 之问，迭就很难直接应用于制造 薄膜晶体管f 沟道长度为5 - 1 0 0 r e ) 。为了克服这个困难hs i t r i n g h a u s 1 4 】等人设计 亲水的模板限制喷印液滴的扩散，减小液滴的间距。大体过程如下：在聚酰亚胺， 玻璃上，利用其基底的疏水特性( 接触角为7 0 。一8 0 0 ) 和沟道侧壁的亲水特性( 接 触角为2 0 0 2 5 0 ) ，来控制喷射的聚( 3 4 一乙烯二氧噻吩) 景苯乙烯磺酸( p e d o t - p s s ) 1 5 1 1 ”1 液滴，形成沟道宽度约为5 p m ，并使之自组装成源、漏和栅极，制成了迁移 率达00 2 c m 2 v s 、开关比迭1 0 5 的全聚合物场效应= 极管，如图1 2 所示。同时， 他们还通过喷射溶剂异丙醇溶解聚乙烯苯酚( p v p ) 绝缘层作连接孔，喷射不同掺 杂比的p e d o t - p s s 线制作电阻成功的集成了一个反相器，演示了液滴喷射技术可 以直接制造电子器件的过程。 a ) 芑苌 “二妒。小 d ，p l 目= 刍l 吉 d ) 、s , o s o v m 一+ d 一乓一牟j c h a n n di n p u tt f t l o a dt f t 图1 2a 、液滴在基片表面上的自组装过程 门电极的制作：d l 光学显微照片 b ) 源漏电极组装后的a f m 显微圈：c ) “连接源、漏电极的两个通孔 电液动力喷印挂术的实验研究 1 2 3 喷墨打印在基因芯片制造上的应用 基因芯片，又称d n a 探针微阵列( m i c r o a r r a y ) ，它集成了大量的密集排布的基 因探针，通过与被检测的核酸序列互补配对进行序列测定】。相比较其它制作 微阵列的方式如传统的手_ i 二点样，喷墨打印技术在大规模的d n a 探针微阵列制 作上具有精度高、效率高、非接触方式等优势。 o k a m o t o l 州利用佳能喷墨打印头( 可喷印2 4 口l 墨滴) 将寡核昔酸喷印到经过 特殊处理的石英玻璃片上，得到了7 0 p m 直径的样点。他们考察了寡梭甘酸的浓度 和d n a 链长度对于打印过程的影响，如图1 3 所示实验证明含有1 0 到3 0 0 个 碱基对的寡拨苷酸及浓度范围00 2 到16 m g m l 的寡核苷酸溶液可以被喷出。 h a r r i s 1 9 1 认为相对于接触式点样仪，这种采用喷墨打印非接触喷印的方式可以：” 节约药品，省去了点样针清洗消毒的过程，设备也比较简单：2 1 点样针存在批次 差异，针头与玻璃片的距离的稍微变化都会导致质量的差异。而非接触式点样不 存在这个问题：3 、非接触式的方式能具有更高的密集度，从而在相同的面积内容 纳下更多点，从而使得分析更有效率，使一块芯片分析这个生物体所有基因的目 标成为可能。但是，o k a m o t o 在文中也提出应用传统的热气泡喷墨打印探针微阵 列时存在的小足之处，印2 0 0 。c 的高温将町能破坏d n a 的活性，同时，打印溶液 在高温下发生的化学反应也可能对于j 印头的功能造成破坏。 o 1 口 - “i qj m 图1 - 3 “热气泡喷印的寡核苷酸液滴；b ) d n a 浓度对喷印工艺的影响：c ) d n a 长 度对喷印工艺的影响 o o o o o o o o曩o o oo 碡o 。oo o 口d o幻o o o 第章前言 1 2 4 喷墨打印在功能陶瓷制造上的应用 陶瓷喷墨打印成型技术在计算机控制下多层打印、逐层叠加，制造出三维陶 瓷【i “。喷墨打印的方式应用在三维陶瓷成型方面具有精度高、成本低等优势，但 是，传统的喷墨打印机对墨水的性质要求苛刻。因此，研究人员在应用喷墨打印 的方式制造三维陶瓷方面也是采用低粘度、低浓度、经过特殊处理的“陶瓷”溶 液。 喷印陶瓷首先由b r u n e l 大学小组开展 2 0 】，喷射液是氧化锆和分散剂聚丁基乙 烯的溶液，打印并且干燥到陶瓷体积的6 0 ，然后被烧结成致密的陶瓷。该系统 使用的是一台连续式的打印机，这是一种较快速但低分辨率的方法。之后，该课 题组进行的试验表明，同样可以通过商业化的热气泡式和压电式按需打印来进行 陶瓷的打印。为了达喷墨打印的要求，则需要把墨水处理成具有低粘度、而且 具有很好的颗粒分散度。虽然，b u n r e l 小组对于墨水颗粒分散度方面做了很多的 努力，但是仍只能达到体积比5 1 2 “。中科院上海陶瓷研究院的d i n gx 小组尝试 利用热气泡式打印机( 型号为e p s o nc 2 0 ) 将浓度达到了体积比的8 的钛酸钡 ( b a t i 0 3 ) 混合液打印成一层15 微米厚的薄膜( 见图1 - 4 ) 。墨水中的纳米钛酸钡 粒子采用溶胶凝胶法制备钛酸钡颗粒大小分布在1 0 0 - 2 0 0 n m 之间，墨水中还加 入了质量比o 7 的聚丙烯酸( 分子量5 0 0 0 1 作为分散剂【2 2 】。经过2 0 次的重复打印， 在基底上形成了一个面积为5 c m 7 c m 的陶瓷膜。为了实现功能性的梯度 f f u n c t i o n a lg r a d i e n t ) 以满足航天等特殊用途，氧化锆和氧化铝的功能性梯度材料也 可通过陶瓷打印( i b mj e tp r i n l e t 打印机改装) 的方法被打印成薄膜口”。 图1 - 4 b a t i o a 喷墨打印后的扫描图：小面积为5 c m x 7 c m 、分辨率为7 2 0 d p i 的陶 瓷层：b 1 陶瓷层s e m 显微结构 电液动力喷印技术的实验研究 1 3 喷墨打印技术简介 前节我们介绍了几种喷墨打印技术在特殊领域的应用。研究人员通过改造现 有的几种喷墨打印机来实现其特殊的应用。本节针对传统的喷墨打印技术进行介 绍。 1 3 1 喷墨打印发展历程 喷墨打印技术就是将墨滴由小孔直接喷射到介质表面的特定位置以形成图案 的技术。1 8 7 8 年，l o r dr a y l e i g h 发现了液体流破碎成液滴的机理【2 4 1 。1 9 5 1 年，西 门子公司的e l m q u i s t 申请了第一个r a y l e i g h 破碎式喷墨设备的专利【2 5 1 。2 0 世纪6 0 年代早期，s t a n f o r d 大学的s w e e t 博士证明墨流能被打碎成大小和间距一定的墨滴 2 6 , 2 7 j 。2 0 世纪7 0 年代，i b m 进行大规模开发连续型喷墨打印技术，并于1 9 7 6 年 i b m4 6 4 0 喷墨打印机投入生产【2 引。 2 0 世纪8 0 年代，当连续喷墨打印迅猛发展时，按需打印的发展趋向成熟。 z o l t a n 2 9 1 、k y s e r 和s e a r s l 3 0 】是研究按需喷墨打印的先驱者。他们的发明被用于 s i e m e n sp t - 8 0 串行字符打印机( 1 9 7 7 ) 和s i l o n i c s ( 1 9 7 8 ) 公司的打印机。这些打印机 的原理都是利用压电效应产生的压力波作用实现喷印。在众多的公司中，e p s o n 公司持续研发压电喷墨技术，最终成为了该技术的领导者、两大喷墨打印商品巨 头之一。1 9 7 9 年，c a n o n 公司的e n d o 和h a r a 发明了一种新的按需打印的喷墨方 法【3 1 】，即通过喷口附近的小加热器产生的水蒸气泡的长大和破裂将墨滴喷出喷口， c a n o n 称此技术为气泡喷墨( t h eb u b b l ej e t ) 。气泡喷墨打印头的设计简单与半导体 装配生产线兼容，大大降低了打印头成本。1 9 8 4 年，h p 商业化生产了t i n k j e t 打 印机。它是首台基于气泡喷墨原理的低成本打印机。由于微加工技术的应用，这 种由1 2 个喷嘴组成的打印头成本已足够低，且打印头是可以更换的。h p 首次提 出的一次性打印头的概念也是基于低成本的，从而解决了喷墨技术可靠性的问题。 从此，压电和气泡式打印机取代了撞击式点阵打印机，统治了低端彩色打印机市 场。下面将简要介绍现今的几种喷墨打印技术。 6 第一章前言 1 3 2 热气泡喷墨打印技术 热气泡喷墨打印头基本结构如图1 5 所示，其工作原理是通过喷墨打印头( 喷 墨室的硅基底) 上的电加热元件( 通常是热电阻) ，在3 9 s 内急速加热到3 0 0 。c 3 2 】。 由于温度上升如此迅速( 1 , 0 0 0 ，0 0 0 0 c s ) ，因此，热量扩散不会超过o 1 9 r n 之外【3 3 1 。 而高温使喷嘴底部的液态油墨气化并形成气泡，该蒸汽膜将墨水和加热元件隔离， 避免将喷嘴内全部墨水加热。加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留 余热仍促使气泡在8 1 a s 内迅速膨胀到最大，由此产生的压力( 约1 0 5 m p a ) 压迫一 定量的墨滴克服表面张力快速( 5 0 k m h r ) 挤压出喷嘴【3 4 1 。随着温度下降，气泡开 始收缩，后端的墨水在电热元件降温和喷嘴毛细管虹吸的作用下与挤压而喷出墨 滴开始分离，气泡消失后墨滴与喷嘴内的墨水就完全分开，完成一个喷墨的过程。 但是，热气泡喷墨技术存在的一些缺陷不能完全解决 3 5 , 3 6 】，如： ( 1 ) 因高温( 约3 0 0 0 c ) i 作，加剧环境和墨水对热敏电阻及喷孔的腐蚀，从而 造成喷头寿命短( 约几百小时) ，须频繁更换喷头而引起成本的增加，且维修不便。 ( 2 ) 因工作压力小，对墨水的细微度有更高的要求，此外墨水成分对能否正常 工作会起非常重要的影响。 ( 3 ) 喷射的墨滴呈喷溅散射状，很难精确控制墨滴的形状，墨滴量也会有1 0 左右的误差，从而造成精度低，耗墨量大。 ( 4 ) 由于技术原理局限而使喷射频率不能大幅度提高( 喷射频率一般在2 0 k h z 以内) ，只能依靠增加喷头数量来提高喷绘速度。 ( 5 ) 在非工业印刷的应用之中，约3 0 0 0 c 的高温将对“墨水”造成影响，限制 其应用领域的范围。 图1 5 热气泡喷墨打印头单元结构图 7 电液动力喷印技术的实验研究 1 3 3 压电喷墨打印技术 压电喷墨技术：将许多小的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近， 利用它在电压作用下会发生形变的原理，适时地把电压加到它的上面，压电陶瓷 随之产生机械震动。当震动以声波的形式传播到喷嘴尖端时，正压( 1 0 0 5 0 0 k p a ) 部分使喷嘴尖端的液体加速，并在惯性的作用下，克服表面张力脱离液体，形成 液滴射出【37 1 ，喷射频率可以达到几十k h z ，液滴大小达到1 5 p l 。随后，声波的负 压部分在喷嘴中形成局部真空，从进液系统中吸入液体补充喷嘴，准备下次喷射， 如图1 - 6 所示。 - 4 p 图1 - 6 压电喷墨打印头单元结构图 用压电技术制作的喷墨打印头对墨滴的控制能力强，容易实现高精度的打印。 因为打印头的结构比较合理可通过控制电压来有效调节墨滴的大小和使用方式， 从而获得较高的打印精度和打印效果。当然，压电喷墨打印也存在一些缺陷，还 不能完全解决【3 5 , 3 6 】，主要有： ( 1 ) 共侧壁压电技术中，相邻的喷嘴不能同时发射：而在推杆式压电技术中喷 墨道的交叉干扰更为严重。 ( 2 ) 由于晶体压电挤压有机械因素存在，同时存在墨滴重新填充喷头的过程， 所以喷嘴的喷速较慢。为了提高喷绘速度，必须配置大量喷嘴，有些喷绘机的喷 嘴数量已达上千个，难以缩小整个打印头的体积。为保证每个喷嘴正常工作，必 须对每个喷嘴进行独立控制，故控制软件非常复杂。 ( 3 ) 由于喷嘴结构的特殊性，使喷嘴与介质之间的距离不能过大( 一般小于 0 5 c m ) ，从而限制了介质的种类和品质。 r 第一章前言 ( 4 ) 墨水的表面张力要求在2 2 3 3 d y n c m 、粘度的要求在1 - 5 m p a s ，一旦墨水 的性质不能满足，便无法实现喷印。这将大大限制它在非工业印刷中的应用范围。 1 3 4 静电力喷墨打印技术 静电力喷墨打印：静电力喷墨打印是基于溶腔体积变化来实现液滴喷射的。 静电力打印头结构类似“三明治”，如图1 7 所示。上层是溶腔的上盖结构，一般 是玻璃材质的；中间层是一个喷墨单元的溶腔结构，一般是硅材料，左右两边分 别开喷射孔和进液孔，中间部分是溶腔槽部分，同时被溅射上金属层和绝缘层用 上电极结构【3 8 1 。下层主要是做与上电极对应的下电极结构而存在的，在玻璃材质 上表面溅射金属和绝缘材料作下电极结构。这样上下电极间施加3 8 v 的电压时产 生静电力，1 3 9 r n 厚的溶腔槽在静电力的作用下发生变形，溶腔体积变大，吸液； 当移除电压时，在自身回复力的作用下，溶腔槽体积变小，压缩液体，液滴喷出， 频率达到几k h z ，液滴质量达到1 6 2 n g 左右。目前，静电力喷墨打印存在的一些 缺陷至今难于完全解决【3 9 1 ，主要包括： ( 1 ) 三层结构复杂，体积较大，不适于制作成点阵式集成打印头，因此导致打 印效率较低。 ( 2 ) 喷射原动力来自溶腔的机械变形，影响打印头的使用寿命。 ( 3 ) 溶腔变形挤压时，墨水回流严重，较难以精确控制液滴大小。 ( a ) 掖涌 g ( b ) 图1 7 静电力喷墨打印原理示意图 9 电液动力喷印技术的实验研究 1 4 本研究课题的提出 如前所述，虽然现在市场主流的打印机在喷印功能陶瓷、电子元器件、生物 组织工程等非工业打印领域的应用已经取得了很好的结果，但是，传统的喷墨打 印机自身的缺陷和对墨水的严格要求限制了它们在非工业打印的应用。为了能适 应非工业印刷的应用，必须对传统的喷墨打印机进行改造或者开发新的打印技术； 同时，实现喷射各种功能液体、液滴大小及位置的精确控制是喷射打印技术产业 化应用如功能材料、高分子、生物工程、封装用胶等精细图形喷印的关键。因此， 研究、开发新型的喷墨打印方式是解决问题的关键，对未来精细图形制造起着重 要的作用。据此，本文的研究工作主要是关于一种新型液滴喷射技术的喷印原理 和喷印参数的研究，为掌握该技术提供技术基础。 1 4 1 电液动力耦合喷印实验的原理 本文提出的新型液滴喷射技术是基于电液动力耦合的喷印技术，图1 8 为电液 动力耦合喷印技术的原理示意图。在考察该技术的研究现状之后，为了能够实现 按需喷印，实验方案采用脉冲方式；喷嘴直接采用高精度点胶头。其喷印系统主 要由供液系统，收集板和高压电源组成。喷射的具体过程是：通过一精密泵给整 个电液动力喷印系统提供稳定的内部压强和小流量的溶液，喷嘴处形成一半球形 悬滴。当悬滴周围空气介质中存在一个高压强电场时，经电极注入到液体内部的 大部分电荷迁移到液面层，并在液面产生了电场力。在这种电场力的作用下，半 球形的悬滴产生变形。锥尖处电荷密度最大、受到电场力最大。当悬滴弯液面受 到的电场力足够克服表面张力和粘滞力等约束时，喷嘴处液体喷印至收集板上， 形成液滴，实现液滴喷射。作为一种新型的喷墨打印技术，与其他喷墨打印技术 相比，电液动力耦合喷印技术的特色在于【4 1 】： ( 1 ) 基于液体与电场相互作用产生液滴，不含机械运动或局部加热单元，不同 于传统墨喷打印的机理，使用寿命将大大提高。 ( 2 ) 对喷印溶液的粘度和表面张力的要求不严，而且还可喷印多种聚合物或功 能材料的溶液，适用于未来微结构的e p 届u n 造。 ( 3 ) 喷印的液滴大小可通过电场参数、高压脉冲的频率参数来调节。 1 0 筇章前j ( 4 ) 喷印系统结构简单、可靠，无需微加工技术，成本较低 图卜8 电液动力耦合喷印技术的原理示意图 目前，由于机制的复杂性该项电液动力耦合喷印技术属于比较前沿的研究 领域。许多学者眦，4 3 1 在研究这种新型打印技术上取得很好的成果。本文所叙述的 喷印过程及其实现方式与r o g e r s l 4 4 结果丰 | 比，液滴可以通过脉冲电压，频率、占 空比等控制；脉冲控制实现按需喷印。本文的主要工作涉及到这种新型喷墨打印 技术的实验研究。 1 4 2 电液动力耦舍喷印技术的研究现状 早期，电液动力耦合技术研究领域主要集中在静电纺丝技术1 4 ”、静电雾化技 术脚】等方面，后来发展到了近场静电纺丝直写技术h 1 。基于电液动力学原理的电 液动力耦台喷印技术的研究比较晚，主要涉及到以下几个方面。 1 4 2 i 直流高压下的电液动力耦合喷印的研究 较早提出利用电液动力耦合实现喷印的是明尼苏达大学的学者j o l l n z e l e r l y l 4 s ，他主要研究了电液动力耦台喷印的方式。通过施加直流高压于喷嘴处 的液体，在表面张力和电场力等作用下，喷嘴处的悬滴产生不稳定实现喷射，他 发现改变直流高压的大小和溶液供给速度可以实现三种喷印方式，即d r i p p i n g 方 式、m i c r o d r i p p i n e 方式和c o n ej e t 方式。之后，很多学者对直流高压耦合喷印下 射流形成过程的数值模型p 蛐】、喷印特殊溶液如压电陶瓷i 训、含银粉粒子的胶体1 5 3 】 嘴 煺! 蒌蒲嘶剖 砒融廖( 配套 rlllj_一 l 喇 电液动力喷印技术的宴验研究 等进行研究。2 0 0 7 年，j o h n ar o g e r s i “1 通过馓加工工艺制作了一个内径为3 0 0 n m 的喷嘴，再对喷嘴的外表面和内表血进行疏水处理，然后施加近千伏的直流电压， 在距离喷嘴以下1 0 0 p m 处可以接收到直径为4 0 0 r i m 左右的液滴，如图1 9 所示。 同时可通过减小收集板的移动速度使喷印的液滴溶合成直线，线宽约为7 0 0 r i m 。 得到这样的结果是非常喜人的，但是该系统还存在着制作喷印头工艺复杂、液滴 无法实现按需喷印等一些问题。 图1 - 9 高分辨率的电液动力耦合喷印示意图 1 4 2 2 高压脉冲下电液动力耦台嚷印的研究 上述的直流高压下电液动力耦合喷印是在一定的供液速度下，电场力和表面 张力共同作用促成喷嘴处悬滴不稳定并产生连续喷印。这种喷印方式的频率容易 受供液速度的影响，而且无法实现按需喷印。为了实现按需喷印，研究人员改变 高压的直流状态，通过施加可控的高压脉冲，产生瞬间、间断的电场力，实现按 需喷印。较早采用高压脉冲方式下的电液动力耦合喷印是1 9 9 8 年m a s a h i r of u j i i 等人发明的专利岬i 。之后，许多学者对高压脉冲方式下的耦台喷印进行了研究， 包括喷印射流与供液速度、射流直径、电流等的标度率【”i 、喷印纳米生物高聚物 1 5 6 5 7 i 、电液祸合喷印射流形成过程的仿真模型【5 w 等方面的研究。2 0 0 8 年j o o n g h y u k m 口1 等人采用内径为o 2 r a m 的喷印头，供液速度为3 n l s 接收基板接入一个 2 k v 的电源。喷嘴处通过施加幅值为i k v 的高压脉冲，当脉冲频率为2 5 h z 时。 可以获得直径为9 0 p m 的液滴，如图1 1 0 所示。同时，实验结果表明了当频率从 第一章前自 25 h z 增加到2 5 h z 时，液滴的直径从2 0 0 p r o 减小到9 0 9 m ，如图1 - 1 1 所示。但是， 在电液动力耦台喷印的过程中，喷印液滴的大小还受到许多实验参数的影响如 电压、脉冲频率及溶液特性等。为了能够全面了解各种喷印参数的影响情况，有 必要对各种喷印参数进行考察。 图1 图1 1 0 高压脉冲下的电液动力耦合喷印的装置示意图 频率大小的关系图 1 4 2 3 带针尖的电液动力耦台喷印的研究 带针尖的喷嘴结构比较容易实现耦合喷印的过程。因为在前面我们介绍实验 方案时提及无针尖喷印过程喷嘴处的悬滴需要经过电荷聚集、形状变化的过程， 而对于带针尖，液体可咀沿着针尖表面直接在电场力作用下喷射出去。但同时也 增加了整个喷嘴的复杂性。2 0 0 0 年，t e r u om u r a k a m i l 6 0 1 等人设计了不同的针尖形 状( 实心、带沟道、扁平和梯形端部) ，实现不同条件下的耦合喷印。同时，也有 1 3 电被动力喷印技术的霉验研究 很多学者对带有针尖的电液动力耦合喷印进行了研究“埘】。2 0 0 7 年，y u i ii s h i d a 。i 等人采用内径为o6 m m 吸液管作为喷嘴结构其中间用2 9 m 、5 9 m 、3 0 9 i n 的钨探 针作为针尖部分，接收板是由1 5 0 p m 厚单晶硅沉积l p m 二氧化硅做成的，喷印的 溶液是含n i 粉末的胶状液体，喷印形成的液滴用于在4 0 0 0 c 高温下进行单晶化诱 导。实验过程中保持喷嘴与收集板间距为2 0 u m ，施加3 k v 高压脉冲如图1 1 2 所示。最终结果表明，胶状溶液可以在高压脉冲的作用下从带针尖的喷嘴喷射出 去，并且随着钨探针直径从2 啪增大到3 0 9 n l ，喷印液滴的直径从08 6 9 m 增大到 5 0 4 l u m ，如图l 一1 3 所示。 豪诗“惹雪慝孽匮 第一一章前言 1 5 本文研究目标以及主要工作 目前，液滴喷射的研究已经取得了显著的进步并且展现出广阔的市场前景和 发展潜力。但由于电液耦合机制的复杂性，该技术的研究还处于比较前沿的研究 领域。本文在总结传统的喷墨打印技术的特点、考察了当前电液耦合喷印技术的 研究现状后，提出本文的研究目标及相关的研究工作。 1 5 1 研究目标 通过考察电液耦合喷印的研究现状，发现对脉冲方式下电液动力耦合喷印的 研究工作比较少，也没有全面的考察及评价各种喷印参数对喷印液滴的影响。因 此，本文的研究目标就是通过大量的实验来考察及评价脉冲方式下电液耦合喷印 的各种喷印参数对喷印液滴的影响，以明确各种参数的适用条件及对喷印液滴大 小的影响关系，具体包括考察在高压电场下溶液表面射流的形成过程，探索溶液 特性、喷头结构、电极距离、收集板性质、喷射距离等参数的影响及优化。 1 5 2 主要工作 本文在搭建一套电液动力耦合喷印实验装置的基础上，研究了高压脉冲作用 下液滴的喷射过程，探索电液耦合喷印的各个实验参数对喷印液滴直径大小的影 响，并进行综合的评价。具体研究工作包括以下几部分： ( 1 ) 研究了一种基于电液动力学原理的按需喷墨打印技术，自主搭建了电液动 力耦合喷印的实验装置，通过实验，确定喷印的基本条件。 ( 2 ) 利用光学显微装置观察在高压电场作用下液滴喷印的形成过程，确定电液 动力耦合下喷嘴悬滴状态变化，考察其喷印过程及其可能存在的各种喷印方式。 ( 3 1 通过大量的实验分析了溶液特性、电压大小、电极距离、脉冲特性等参数 对喷印液滴大小的影响，得出电液动力耦合喷印的最佳工艺参数。 ( 4 ) 运用a n s y s 分析软件对不同参数下的实验装置进行电场分析，采用数值 计算的方法进行针状平板电极电场计算。 ( 5 1 运用c f df l u e n t 软件进行一定速度下的液滴沉积过程的仿真，以考察收集 板对液滴沉积状态的影响。 第二章实验方案与步骤 第二章实验方案与步骤 本